內容提要：經過長期的理論研究與實踐探索，制作了磁羅經數字校正儀，提出了磁羅經自差數字化校正法，并完成了船舶在錨泊狀態時就能校正磁羅經自差的實際校正工作，能夠滿足校正工作的要求。為磁羅經校正工作提供一種高效便捷的方法，確保船舶的航行安全。

關鍵詞：磁羅經自差 磁羅經數字校正法 磁羅經校正儀 錨泊校正

0引言

隨著計算機、電子技術的發展，航海科技也迅速發展，GPS、電子海圖、AIS等航海設備的應用為今日的航海技術注入新的活力。但陀螺羅經和磁羅經仍是船舶的主要指向設備。而磁羅經依靠地球的磁性指向，簡單可靠，仍被國際海事組織（IMO）確定為必備設備。按SOLAS公約和我國《海船航行設備規范》：凡150總噸及以上的船舶均應裝設：①一臺標準磁羅經或至少應配備一臺合適的操舵羅經；②各磁羅經應正確校正，并應備有隨時可用的剩余自差表或自差曲線。由于鋼鐵船體的磁性導致磁羅經指北發生偏差，即產生磁羅經自差。為了確保磁羅經能較為準確地指磁北，磁羅經就必須定期校正，使其誤差控制在允許的范圍之內。

1磁羅經自差的傳統校正法

磁羅經自差的校正就是以性質相同、大小相等、方向相反的校正磁力來抵消船磁力的影響，即用校正器上的縱、橫硬磁鐵和軟鐵把船磁力對磁羅經的影響抵消或降低到允許的范圍。

現有磁羅經自差的傳統校正方法基本上可歸類為兩種：一種是愛利法，校正自差時船舶需航行在特定磁航向（N、E、S、W、NE、SE、SW、NW）上，通過測定自差、校正自差，達到抵消自差力的目的；另一種是以科侖克法為代表的測力法，校正自差時船舶需航行在特定羅航向上，通過測定自差力、抵消自差力，達到校正自差的目的。兩種校正方法都需要船舶在較寬闊的水域，機動航行在特定的航向上進行校正工作。這對大型船舶，尤其是集裝箱班輪確有一定難度，使校正工作往往難以實施。如果能用一種方法使船舶在錨泊狀態下，在任意航向上就能校正磁羅經自差，那么磁羅經自差的校正工作將方便地在錨地水域進行，既節省工時，又節省燃油，這一直是磁羅經校正師們所研究的課題。

2磁羅經自差數字化校正法理論

由經典磁羅經自差校正理論可知，在校正自差過程中船舶在特定的八個航向航行的目的，是把船磁總合力中的縱向力、橫向力和象限自差力分辨出來。如果通過一種方法能夠測定船磁總力并進行分解，那么校正磁羅經自差時船舶就不需要回轉。

在船舶正平時選取羅經坐標系，規定在羅經平面上平行于船首尾線為縱軸（x軸），左右舷為橫軸（y軸），垂直于甲板的為垂直軸（z軸），并分別以向船首、右舷和垂直向下為正向。ψ為船舶的磁航向。由于Z力垂直作用于羅盤平面，不會產生對羅盤水平偏轉的自差，這樣作用在羅盤平面上有六個力：

A′λH：指向垂直于磁子午線，正力指東，負力指西。

B′λH：正力指向船首為ψ，負力指船尾為ψ±180°。

C′λH：正力指向右舷為ψ+90°；負力指向左舷為ψ-90°

D′λH：正力指向與磁子午線夾角為2ψ；負力指向2ψ±180°。

E′λH：正力指向為2ψ+90°；負力指向為2ψ-90°。

λH：指北力指向磁北Nm。其中λ為指北力系數，對于商船，標準羅經λ值在0.8～

0.9之間，操舵羅經在0.6～0.8之間。

六個力作用在羅盤上的受力圖見圖1。

對于商船來說由于磁羅經的艏艉基線在船舶的艏艉面內，A′、E′很小，設A′λH=0、E′λH=0，這時羅盤上受力情況如圖2所示，僅有四個力作用于羅盤上。其中λH圖1羅盤受六個力作用是需要保留的指北力，B′λH、C′λH、D′λH是需要抵消的船磁力。

如果在羅盤上方高斯第二位置加一測力磁鐵，使測力磁鐵的N端朝北放置，測力磁鐵力F朝南，其磁力F的大小等于λH，即以F力抵消λH力，這時羅盤上磁針指向B′λH、C′λH、D′λH的合力方向，如圖3所示。

在此情況下，若船舶航向在ψ1上，x軸上的合力為X1=B′λH+D′λHcosψ1，y軸上的合力為Y1=C′λH+D′λHsinψ1。

當船舶航向在ψ2時，x軸上的合力為X2=B′λH+D′λHcosψ2，y軸上的合力為Y2=C′λH+D′λHsinψ2。

用一種專用磁力測量儀分別測量出X1、Y1、X2、Y2的值，那么聯列方程：

X1=B′λH+D′λHcosψ1

Y1=C′λH+D′λHsinψ1

X2=B′λH+D′λHcosψ2

Y2=C′λH+D′λHsinψ2

通過解算就可分別求出B′λH、C′λH、D′λH的大小及方向。

再分別用縱向、橫向和軟鐵校正器來抵消B′λH、C′λH、D′λH。使磁力測量儀上的B′λH、C′λH、D′λH分量顯示值為零，這時船磁對磁針的影響即被抵消。

在實際校正時，船舶在錨泊狀態下的任意航向即為ψ1，經測定X1、Y1值后，可微量用車或利用潮流的影響，使船舶偏離一個不大的角度，在航向ψ2上測定X2、Y2值，經解算就可分別顯示出B′λH、C′λH和D′λH值，作為校正自差的依據。這就是磁羅經自差數字化校正法的理論根據。

3磁阻傳感器的原理

磁阻傳感器是利用鐵磁材料具有磁阻效應的特性工作的。磁阻效應是指導體電阻受磁場影響而產生變化的現象。當外磁場平行于磁導體內部磁化方向時，磁體電阻幾乎不隨外磁場變化；當外磁場偏離內部磁場方向時，則磁阻減小，而且偏離的方向與磁阻的減小成一定的函數關系。可見利用鐵磁材料的這一特性能辨別磁場的方向、測量磁場的大小。用兩個相互垂直的磁導體即能測量二維分力；若用三個相互垂直的磁導體就能測量三維分力。本文使用的磁阻傳感器即為三軸傳感器。使傳感器安放在羅盆位置，三個軸分別與羅經坐標系的x、y、z軸平行，這樣就能測量磁羅經所處環境的船舶磁場在x、y和z三個方向的分力。檢測到的磁體電阻變化量經放大后經A/D轉換、單片機計算，以RS-485或RS232的標準輸出磁力的方向與大小的數字信號。

4磁羅經校正儀

根據磁羅經數字化校正理論，設計制作了磁羅經校正儀，其結構由電子羅盆、支架、筆記本電腦、軟件和電源等五部分組成，如圖4所示。

（1）測力磁鐵。測力磁鐵在滑桿上可上下移動，以改變磁鐵對羅盤的作用力，用于抵消地磁的指北力。

（2）滑桿。其中部印有標尺，用于記錄測力磁鐵的位置。

（3）電子羅盆及高靈敏度的磁阻傳感器。磁阻傳感器用于檢測羅盤處船舶縱橫向及垂直方向的船磁力大小，并以RS232串口形式傳送給計算機。電子羅盆安放在羅經柜上，羅盆的艏標志與x軸平行，兩側的支承轉軸與y軸平行，以確保X傳感器與x軸平行，Y傳感器與y軸平行，并保證傳感器的中心位置與電子羅盆的幾何中心重合。

（4）可旋轉方位盤。與電子羅盆上的艏標記配合使用，用于設定電子羅盤上的船舶磁航向，這時支架上的Nm標記對準可旋轉方位盤上的零時，測力磁鐵的磁力就與地磁指北力反向。

（5）筆記本電腦運行應用軟件。用于處理磁阻傳感器送來數據，顯示x、y和z軸的分力數值，并計算出分力B’λH、C’λH、D’λH，檢測校正的分力。軟件界面如圖5所示。其中：縱向分量X、橫向分量Y、垂直分量Z均為傳感器實時測量值，航向ψ1、ψ2為輸入值，第一、二航向按鈕為確認鍵，其余均是計算值。

5磁羅經數字化校正法的應用

（1）測量校正地附近的地磁水平分力和垂直分力。在岸上遠離鐵器的地方，校正儀離地至少1m，打開電源開關和電腦，并運行應用軟件，轉動電子羅盆方位，使軟件上y軸的讀數為0，說明電子羅盆上的艏標記指向北。放上支架并將Nm標記與電子羅盆上的艏標記重合。這時軟件界面上x軸分量的讀數即為當地地磁水平分量H，z軸分量的讀數即為當地地磁垂直分量Z。放置測力磁鐵，N端指向北，上下調整磁鐵，直到軟件界面上x軸輸出的讀數為0，記下測力磁鐵在滑桿標尺上刻度n，同時記下軟件界面上z軸垂直分力輸出讀數m。

（2）在船上安裝校正儀。

在船上，從常平環上取下羅經盆，把電子羅盆放在常平環上，電子羅盆的艏線標記指向船艏。這時電子羅盆的兩支承轉軸垂直于船舶的艏艉線，也就是傳感器的三軸與船舶坐標系的x、y、z軸平行。

（3）在ψ1、ψ2

兩航向上測定X1、Y1、X2、Y2。

①通過陀螺羅經、天體或物標取得本船的第一磁航向ψ1（如圖中ψ1是125°），轉動電子羅盆上的可旋轉方位盤，使其指示航向ψ1。放上支架使Nm標記指向可旋轉方位盤的0°即磁北。

②用測力磁鐵的磁力抵消地磁指北力。放置測力磁鐵，移動測力磁鐵在滑桿上位置至n′，n′=λn（標準羅經λ值取0.8～0.9，操舵羅經λ值取0.6～0.8）。

③讀取軟件界面上x、y軸輸出讀數為X1、Y1，如圖6所示。按確認鍵，存儲此數值。

④微用車或利用潮流使船舶航向偏離一個角度，測得本船的第二磁航向ψ2（圖中ψ2是162°），調整電子羅盆方位使航向指向ψ2，轉動支架使Nm標記指向磁北，讀取軟件界面上x、y軸輸出讀數為X2、Y2，如圖7所示。按確認鍵，輸入計算機，這時B′λH、C′λH、D′λH的值已經計算出，并顯示縱、橫磁棒及軟鐵校正裝置應校正值。

（4）校正半圓自差和象限自差。

①抵消C′λH：在羅經柜中的校正架上調整橫向磁棒使軟件界面上y軸的讀數為D′λHsinψ2（圖8中D′λHsinψ2為6.36），如圖8所示。

②抵消D′λH：在校正架上調整軟鐵片（球）使軟件界面上y軸的讀數為0，如圖9所示。

③抵消B′λH：在校正架上調整縱向磁棒使軟件界面上x軸的讀數為0，如圖9所示。

（5）校正傾斜自差。

調整垂直磁棒使軟件界面上z軸輸出讀數為m′，m′=λm，如圖10所示m′為263.8。

（6）自差校正完畢，取下電子羅盆與支架，放回磁羅經盆，記錄校正器的位置。校正半圓自差、象限自差和傾斜自差結束。

6磁羅經數字化校正法的可行性

（1）在校正儀中磁阻傳感器是檢測磁力大小與方向的關鍵元件，其靈敏度將直接影響校正準確性。本文中采用的HMR3200巨磁阻傳感器其磁場測量的分辨率較高，適用于對磁羅經周圍磁場大小與方向的測量。

（2）由于地磁在一個地區的變化不大，因此在同一地區校正羅經時，可直接引用上次所測地磁水平分力和垂直分力數據，簡化校正工作步驟。

（3）船舶在錨泊時磁羅經的周邊磁場環境與海上航行狀態一樣。

（4）為了提高測量和校正精度，在利用潮流或微用車使船舶兩航向的變化角以大于30°為宜。在校正過程中，應用軟件根據D′λH在y、x軸方向分力的大小，來選擇抵消B′λH、C′λH的順序。即若D′λH在y軸上的分力大，就先用橫磁棒抵消C′λH力，再用軟鐵抵消D′λHsinψ2，使y軸的力為零，最后再用縱向磁棒抵消B′λH，使x軸的力為零。反之則先抵消B′λH，再抵消D′λHcosψ2，最后抵消C′λH。應用軟件比較D′λHsinψ2和D′λHcosψ2的大小，并作相應顯示，以提示校正順序。

（5）由于船舶在錨泊狀態，可有充足的時間來精確調整校正器，達到滿意的精度。

7誤差分析及校正中注意事項

從上述理論分析可知，磁羅經數字校正法，仍以假設A′，E′為零為條件，其誤差來源及操作注意方面有：

（1）在用測力磁鐵抵消λH時，λ的取值是利用手中積累的資料，參考同類型或相近船舶的取值，可能存在差異；

（2）倘若A′，E′均不為零，必然會產生誤差，但對安裝在艏艉面上的羅經這個誤差是很小的。

（3）實測結果表明在校正過程中，剩余磁力分量精確至5~8μGauss時，羅經的剩余自差近似為零；當剩余自差力為15μGauss時，羅經的剩余自差在1°左右。

（4）校正過程中兩個航向ψ1、ψ2之間相差不小于30°為宜，其中只要有一個為東、南、西、北航向時，B′λH、C′λH中就有一個值能精確測出，而不是通過軟件計算求出的，校正效果更好。

（5）在第一個航向上僅測量X1、Y1的值，所需時間很短，而在第二航向上除測量X2、Y2外，還要完成自差校正工作，所以船舶在第二航向上要保持一定的穩定時間，確保校正的精度，否則將產生誤差。

（6）校正傾斜自差時，若船舶不在磁東、西航向，會有一定誤差；這個誤差一般是比較小的。

8結語

磁羅經數字校正法最大優點是船舶不要專門為校正磁羅經而進行回轉航行，船舶在拋錨或港內航行中，通過小角度的航向調整，就能完成校正工作，節省燃油，省工省時，無須寬闊水域，在航道狹窄的水域也能進行，是值得推廣的一種校正方法。

作者：季本山  來源：航海技術